核心素養(yǎng)導(dǎo)向下實(shí)驗(yàn)室課程資源的開(kāi)發(fā)和利用
--兩種電荷的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

湖北省武穴市實(shí)驗(yàn)高級(jí)中學(xué)(435400) 胡劍章 湖北省武穴市教育技術(shù)裝備辦公室(435400) 翟曉軍 湖北省武穴市第三實(shí)驗(yàn)中學(xué)(435400) 吳寶華

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》重視以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計(jì),倡導(dǎo)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室課程資源的開(kāi)發(fā)與利用。物理是一門實(shí)操性很強(qiáng)的學(xué)科,實(shí)驗(yàn)是物理課程改革的靈魂,是全面提高學(xué)生核心素養(yǎng)的有效手段,也是物理課程改革的寶貴資源。為有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率,提倡挖掘現(xiàn)有各種教學(xué)儀器、日常材料及現(xiàn)有的課程資源。隨著經(jīng)濟(jì)條件的發(fā)展,我國(guó)鄉(xiāng)村中學(xué)都配有相應(yīng)的物理實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室雖有豐富課程資源,但有待教師充分的開(kāi)發(fā)和利用[1]。一線教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生重視實(shí)驗(yàn)操作,帶領(lǐng)學(xué)生做物理學(xué)習(xí)的實(shí)踐者,知識(shí)生成的創(chuàng)造者。實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)儀器應(yīng)不局限于現(xiàn)有設(shè)備,學(xué)生身邊的日常器具同樣是重要的實(shí)驗(yàn)室資源。教師和學(xué)生可以一起用日常生活中的器具進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)探究,讓學(xué)生在實(shí)際操作中發(fā)展實(shí)驗(yàn)技能,培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。筆者以兩種電荷的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為例,通過(guò)對(duì)教材實(shí)驗(yàn)的重新設(shè)計(jì)和改進(jìn),讓學(xué)生在獨(dú)立的分析、質(zhì)疑、討論、論證中提升科學(xué)思維能力,發(fā)展核心素養(yǎng)。

1 現(xiàn)行教材中該實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題

在初中物理教學(xué)中,“兩種電荷”是非常重要的教學(xué)內(nèi)容,是電學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)。浙教版初中科學(xué)8年級(jí)上冊(cè)第122頁(yè)“思考與討論”中沒(méi)有實(shí)驗(yàn)方案,而是直接給出摩擦后玻璃棒和橡膠棒的帶電情況,缺乏科學(xué)探究的過(guò)程。人教版9年級(jí)物理全一冊(cè)第32頁(yè)演示實(shí)驗(yàn)是用絲綢摩擦玻璃棒和毛皮摩擦橡膠棒來(lái)探究電荷間的相互作用,但在得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論后直接給出自然界中只存在兩種電荷,缺乏實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

在教學(xué)實(shí)踐中,筆者按照人教版教材中的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)存在以下問(wèn)題:實(shí)驗(yàn)容易出現(xiàn)摩擦后不帶電或帶電時(shí)間短等情況,需要在非常干燥的天氣下進(jìn)行;玻璃棒和橡膠棒由于質(zhì)量較大而慣性較大,導(dǎo)致很難轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。

2 對(duì)兩種電荷實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)思考

2.1 使排斥和吸引現(xiàn)象更明顯

要使物體轉(zhuǎn)動(dòng)更明顯,需要減小摩擦、減小慣性和增大電場(chǎng)力。基于以上物理原理,筆者查閱了大量資料:很多方案用支架代替繩,能減小摩擦,更容易固定橡膠棒和玻璃棒。然而在實(shí)際操作中玻璃棒較難帶上電且質(zhì)量較大,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。基于上述探究,筆者決定將器材更換成質(zhì)量更小的塑料吸管和可旋轉(zhuǎn)支架。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)塑料吸管體積小且輕,帶電時(shí)間長(zhǎng),排斥和吸引現(xiàn)象更明顯,可操作性更強(qiáng)。

2.2 可視化帶電的探究

在實(shí)驗(yàn)中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)摩擦后兩個(gè)塑料吸管之間既不吸引也不排斥的現(xiàn)象,不能確定塑料吸管有沒(méi)有帶電,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)演示效果不好。筆者嘗試把錫箔紙撕成碎片,摩擦后的塑料吸管能吸引這些錫箔紙,說(shuō)明塑料吸管帶了電。在探究電荷間相互作用時(shí),可通過(guò)錫箔紙是否仍被吸附在塑料吸管上來(lái)判斷塑料吸管帶電情況,實(shí)現(xiàn)帶電可視化。

2.3 探究是否存在第三種電荷

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是科學(xué)探究的過(guò)程,是否存在第三種電荷,應(yīng)該有嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程。筆者在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,嘗試用多種材料,通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)過(guò)程推理是否存在第三種電荷。

3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案

3.1 實(shí)驗(yàn)器材

毛皮、橡膠棒、玻璃棒、絲綢、多根塑料吸管、塑料袋、錫箔紙、可旋轉(zhuǎn)支架(如圖1)。

圖1 實(shí)驗(yàn)器材

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程

(1)將塑料吸管一端與毛皮摩擦,將未與毛皮摩擦的一端與錫箔紙屑靠近,再將與毛皮摩擦的一端與錫箔紙屑靠近。塑料吸管只有被摩擦的一端能吸引紙屑,說(shuō)明摩擦后帶電,帶電體能吸引輕小物體。接下來(lái)每一步操作前都要將被摩擦物體與錫箔紙屑靠近,驗(yàn)證物體是否帶電。通過(guò)觀察錫箔紙屑是否被吸引在物體上,來(lái)實(shí)現(xiàn)帶電可視化。

(2)2根塑料吸管與毛皮摩擦后,將其中1根輕輕放置在支架上,待其穩(wěn)定后用另1根塑料吸管靠近。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:兩根塑料吸管相互排斥。

(3)將2根塑料吸管與塑料袋摩擦,將其中1根輕輕放置在支架上,待其穩(wěn)定后用另1根塑料吸管靠近,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:2個(gè)塑料吸管也相互排斥。同組的2根塑料吸管由于起電方式相同,同源同性,所以帶的電荷也相同,同種電荷相互排斥。

學(xué)生質(zhì)疑:這2組吸管分別與毛皮和塑料摩擦,不同組吸管帶電性質(zhì)是否相同?

(4)塑料袋摩擦的塑料吸管放置在支架上,用與毛皮摩擦的塑料吸管靠近,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:2個(gè)塑料吸管相互吸引。由同種電荷相互排斥推理可知兩組塑料吸管帶上了不同種電荷,異種電荷相互吸引。

學(xué)生質(zhì)疑:自然界中是否有第三種電荷,如何證明?

教師引導(dǎo):由異種電荷相互吸引知第三種帶電體應(yīng)與前兩種帶電體都吸引。

(5)將與毛皮摩擦的塑料吸管靜置在支架上,用與毛皮摩擦的橡膠棒靠近塑料吸管,能觀察到塑料吸管被排斥;用與絲綢摩擦的玻璃棒靠近塑料吸管,能觀察到塑料吸管被吸引。

(6)將與塑料袋摩擦的塑料吸管靜置在支架上,用與毛皮摩擦的橡膠棒靠近塑料吸管(如圖2),觀察到塑料吸管被吸引,將與絲綢摩擦的玻璃棒靠近塑料吸管(如圖3),觀察到塑料吸管被排斥。

圖2 用與絲綢摩擦的玻璃棒靠近塑料吸管 圖3 用與絲綢摩擦的橡膠棒靠近塑料吸管

(7)歸納與總結(jié):請(qǐng)同學(xué)們將表1中的現(xiàn)象填好并將其分類。

表1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象歸類

毛皮摩擦的塑料吸管和塑料袋摩擦的塑料吸管帶異種電荷,毛皮摩擦的塑料吸管和毛皮摩擦的橡膠棒帶的是同種電荷,塑料袋摩擦的塑料吸管和絲綢摩擦的玻璃棒帶的是同種電荷。毛皮摩擦的塑料吸管和塑料袋摩擦的塑料吸管帶的電荷性質(zhì)不同,如果有第三種電荷,它與這兩種電荷應(yīng)是相互吸引。上述實(shí)驗(yàn)中,沒(méi)有出現(xiàn)一種帶電體能同時(shí)吸引另兩種帶電性質(zhì)不同的帶電體,說(shuō)明自然界中只有兩種電荷。

3.3 實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新點(diǎn)

(1)實(shí)驗(yàn)材料的創(chuàng)新:塑料吸管、塑料袋、錫箔紙等材料身邊易得,操作方便。用日常器具做實(shí)驗(yàn),具有簡(jiǎn)便、直觀、易于理解等優(yōu)點(diǎn)。利用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)器材,學(xué)生能親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn),感知物理就在身邊。

(2)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的創(chuàng)新:在實(shí)驗(yàn)步驟(1)～(4)中,學(xué)生獲得摩擦起電和電荷間相互作用的概念。通過(guò)學(xué)生的質(zhì)疑:自然中是否還有第三種電荷,引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究是否存在第三種電荷。通過(guò)實(shí)驗(yàn)步驟(5)～(6)的探究,推理出自然界中只存在兩種電荷。通過(guò)這個(gè)環(huán)節(jié)使學(xué)生養(yǎng)成善于質(zhì)疑,不斷探索的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任,在問(wèn)題解決的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)證意識(shí)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)一環(huán)扣一環(huán),由同源同性摩擦產(chǎn)生的同種電荷相互排斥推理出異種電荷相互吸引[2]。學(xué)生在上述實(shí)驗(yàn)推理中能自主比較2次分類的結(jié)果得出自然界只有兩種電荷的結(jié)論,在觀察中提高了推理歸納能力、體會(huì)了科學(xué)探究的嚴(yán)謹(jǐn),提升了科學(xué)素養(yǎng)。

4 實(shí)驗(yàn)反思

(1)實(shí)驗(yàn)時(shí),盡量選擇較長(zhǎng)較細(xì)的的塑料吸管,實(shí)驗(yàn)前要對(duì)毛皮進(jìn)行干燥處理,便于摩擦起電。通過(guò)查閱資料發(fā)現(xiàn),塑料的荷正電序列為PP、PET、PVC[3]。因此筆者選用PP材質(zhì)、規(guī)格為2 mm×200 mm的塑料吸管和PE或PVC材質(zhì)的塑料袋。

(2)用毛皮和塑料袋摩擦塑料吸管時(shí),在操作時(shí)要帶絕緣手套,要用力捏緊塑料吸管快速摩擦,便于塑料吸管帶電更多、留電時(shí)間更長(zhǎng)。

(3)要求學(xué)生課后搜集更多的材料,繼續(xù)探究自然界中是否存在第三種電荷,培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、精益求精的科學(xué)態(tài)度,領(lǐng)會(huì)科學(xué)本質(zhì)。